核内低分子RNA

核内低分子RNA（snRNA）

核内低分子RNA（Small nuclear ribonucleic acid、略称: snRNA）は、真核生物の細胞核内に局在する、比較的小さなRNA分子の仲間です。これらのRNAは、特にスプライシングが行われる核スペックルやカハール体といった構造に豊富に見られます。一般的に、snRNAの長さは約150ヌクレオチド程度であり、細胞の種類や機能に応じて、RNAポリメラーゼIIまたはRNAポリメラーゼIIIという異なる酵素によって合成されます。

snRNAの最も重要な役割の一つは、メッセンジャーRNA（mRNA）となる前の分子（前駆体mRNA、あるいはhnRNAとも呼ばれます）のプロセシング、特にスプライシングと呼ばれる過程に関わることです。このスプライシングは、不要な部分であるイントロンを取り除き、必要な部分であるエクソンだけを繋ぎ合わせて成熟したmRNAを作り出すために不可欠なステップです。しかし、snRNAの機能はスプライシングに留まりません。例えば、特定のsnRNA（7SK RNAなど）は転写因子の働きを調整したり、RNAポリメラーゼIIの活性を制御したり（B2 RNAなど）、さらには細胞の老化やテロメアの維持にも関わっていることが示唆されています。

snRNAは単独で機能することはなく、常に複数の特定のタンパク質と結合して複合体を形成します。この複合体は、核内低分子リボヌクレオタンパク質、略してsnRNP（スヌープ）と呼ばれています。それぞれのsnRNPは、特定の種類のsnRNAと、Smタンパク質などを含むいくつかのsnRNPに固有のタンパク質から構成されています。ヒトの主要なsnRNPに含まれるsnRNAには、ウリジンという構成要素を多く含むことからU1 snRNA、U2 snRNA、U4 snRNA、U5 snRNA、U6 snRNAといった名称が付けられています。

snRNAは、1966年にゲル電気泳動を用いた研究の中で偶然発見されました。当時、予期せずゲル上に現れた小さなRNAバンドを詳しく分析した結果、これらのRNAがウリジンに富み、細胞の核内に存在することが明らかになったのです。

分類

snRNAは、その配列の特徴や結合するタンパク質のタイプに基づいて、大きく二つのクラスに分類されるのが一般的です。

1. SmクラスsnRNA: このクラスには、U1、U2、U4、U4atac、U5、U7、U11、U12といった種類のsnRNAが含まれます。これらは主にRNAポリメラーゼIIによって転写されます。合成された後、これらのsnRNA前駆体は核内で典型的な7-メチルグアノシンの5'キャップ構造を受け取ります。その後、さらなる処理のために核膜孔を通って細胞質へと運ばれます。細胞質では、5'キャップがトリメチルグアノシンへとさらにメチル化されるとともに、3'末端が切断され、特徴的なステムループ構造が形成されます。この3'末端の構造は、SMNタンパク質によって認識され、安定したリボヌクレオタンパク質（RNP）複合体を形成するために必要です。修飾されたトリメチルグアノシンキャップは、snRNP複合体が核内へ効率的に輸送されるためのシグナルとなります。U7 snRNAを除くSmクラスのsnRNAは、後述するスプライソソームの中核を構成します。ちなみに、スプライシング（イントロン除去）は、真核細胞の核内でのみ起こる重要な転写後修飾です。一方、U7 snRNAは、ヒストンの前駆体mRNAのプロセシング、特に3'末端の形成に関与することが知られています。

2. LSmクラスsnRNA: このクラスの主要なメンバーは、U6 snRNAとU6atac snRNAです。これらは主にRNAポリメラーゼIIIによって転写されます。SmクラスのsnRNAとは異なり、LSmクラスsnRNAは合成後、原則として核外へは移動しません。これらのRNAは、5'末端にγ-モノメチルリン酸と呼ばれる特殊なキャップ構造を持ち、ウリジンが連続した配列で終わる3'末端のステムループ構造が、LSmタンパク質と呼ばれるヘテロ七量体リング状の複合体の結合部位となります。

スプライソソーム

スプライソソームは、真核生物のpre-mRNAが成熟する過程で不可欠な「スプライシング」という反応を触媒する巨大な分子機械です。わずか1ヌクレオチドの間違いも細胞にとっては致命的な影響を及ぼしうるため、このRNAプロセシングは非常に高い精度で繰り返し行われる必要があります。スプライソソームは、U1、U2、U4、U5、U6という5種類の主要なsnRNAと、150種類以上のタンパク質から構成される、非常に複雑なタンパク質-RNA複合体です。これらのsnRNAは、それぞれが結合タンパク質とともにsnRNPを形成し、前駆体mRNA基質の特定の配列を認識して結合します。スプライソソームによるスプライシング反応は、二段階のエステル交換反応を経て進行します。これにより、イントロンはラリアット（投げ縄）状の構造として切り出され、残されたエクソン同士が正確に結合されて機能的な成熟mRNAが完成します。

スプライソソームには、主に二つのタイプが存在します。大多数を占めるメジャースプライソソームは、真核細胞で最も豊富に存在し、大部分のイントロンであるU2型イントロンのスプライシングを担います。スプライシングの最初のステップとして、U1 snRNPとその結合タンパク質がpre-mRNAの5'スプライス部位に結合し、「コミットメント複合体」と呼ばれる構造を形成します。これはpre-mRNAをスプライシング経路に乗せるための重要な段階です。次にU2 snRNPがスプライソソーム結合部位に呼び寄せられてA複合体が形成され、その後、U4/U6とU5が三者複合体（tri-snRNP）を形成してA複合体に結合し、B複合体が構築されます。複合体の構造的な再編成を経て、C複合体が形成されるとスプライソソームは触媒活性を持つようになります。触媒活性を発揮するスプライソソームの中では、U2 snRNAとU6 snRNAが特定の立体構造をとり、「触媒三重らせん構造（catalytic triplex）」と呼ばれる保存された領域を形成します。この構造には二つのマグネシウムイオンが配置され、スプライソソームの酵素活性中心が形成されます。これは、RNA自体が触媒機能を持つ「リボザイム」の一例として知られています。

メジャースプライソソームの他に、細胞内では非常に稀な（全体の約1%程度）マイナースプライソソームも存在します。この複合体は、U11、U12、U4atac、U6atac、U5 snRNPから構成されます。これらのsnRNPは、メジャースプライソソームで用いられるsnRNPと機能的に類似していますが、構成要素が異なります。マイナースプライソソームは、U12型イントロンと呼ばれる、メジャーなU2型イントロンとは異なる特徴を持つイントロンのスプライシングを行います。U2型イントロンは5'と3'のスプライス部位に典型的にはGT-AGという配列を持ちますが、U12型イントロンはAT-ACという配列を持つことが特徴です。マイナースプライソソームは、メジャースプライソソームとは異なる反応経路を経てスプライシングを実行します。

U1 snRNAの特異性

U1 snRNPは、pre-mRNAの5'スプライス部位に特異的に結合することで、スプライソソームによるスプライシング反応を開始させる主要な因子です。メジャースプライソソームを構成する他のsnRNP（U2, U4, U5, U6）は細胞内にほぼ等量存在することが示されていますが、ヒト細胞においてはU1 snRNPの量が他のsnRNPよりも顕著に多いことが分かっています。HeLa細胞を用いた実験でU1 snRNAの遺伝子を機能しないようにすると（ノックダウン）、U1 snRNAが細胞機能において非常に重要な役割を果たしていることが明らかになりました。ゲノム全体のRNAを調べた結果、U1 snRNAを欠損させた細胞では、スプライシングされていないpre-mRNAが蓄積することが確認されました。さらに、U1 snRNAがないと、特に転写開始点に近いイントロンにおいて、本来スプライシングされるべき箇所ではない場所での異常な切断やポリアデニル化（短いポリ(A)鎖の付加）が引き起こされることが示されました。他のウリジンに富むsnRNAをノックアウトしても、このような特異的な影響は見られません。このことから、U1 snRNAがpre-mRNAの5'スプライス部位に結合することが、pre-mRNAを異常な分解やポリアデニル化から保護していると考えられています。このユニークな保護効果が、細胞内にU1 snRNAが過剰に存在していることの理由である可能性が示唆されています。

snRNPとヒトの疾患

snRNPや核小体低分子リボヌクレオタンパク質（snoRNP）に関する研究は、多くのヒト疾患のメカニズムを理解する上で重要な情報を提供しています。

脊髄性筋萎縮症 (Spinal Muscular Atrophy, SMA) – この疾患は、運動神経の変性によって重度の筋力低下を引き起こし、約6,000人に1人が罹患する、デュシェンヌ型筋ジストロフィーに次ぐ神経筋疾患の主要原因です。SMAの原因遺伝子であるSMN1の変異によって生じるSMNタンパク質の機能不全は、SmクラスのsnRNPを含む、多くのRNP複合体の適切な組み立てを妨げることが知られています。
先天性角化異常症 (Dyskeratosis Congenita, DC) – 皮膚、爪、粘膜の異常など、様々な症状を示す稀な症候群です。この疾患の一部は、snRNPの組み立てや機能に関連する遺伝子の変異によって引き起こされることが分かっています。最終的にはがんや骨髄不全に至ることもあります。この症候群の原因遺伝子には、ジスケリンや、テロメア維持に関わるテロメラーゼRNA、テロメラーゼ逆転写酵素（TERT）など、複数の遺伝子が含まれています。
* プラダー・ウィリ症候群 (Prader-Willi Syndrome, PWS) – 約12,000人に1人が罹患するこの症候群は、異常な食欲亢進、認知機能や行動の問題、筋緊張低下、低身長などを特徴とします。この疾患は、通常、父親由来の15番染色体上の特定の領域が欠失したり、その他の遺伝的な異常が生じたりすることで引き起こされます。この領域内には、脳内でセロトニン2C受容体のmRNAを標的とする脳特異的なsnRNAが含まれており、疾患の発症メカニズムとの関連が研究されています。

転写後修飾

真核細胞のsnRNAには、多くの転写後修飾が付加されていることが知られています。代表的なものとして、2'-O-メチル化やシュードウリジン化といった修飾があります。これらの修飾は、主に核小体低分子RNA（snoRNA）の働きによって付加されます。snoRNAは通常リボソームRNA（rRNA）の修飾を担いますが、snRNAを含む他のRNA分子も標的とすることが観察されています。

また、snRNAは通常ポリ(A)テールを持ちませんが、短いオリゴアデニル化（数個のAが付加されること）を受けることがあります。このオリゴアデニル化は、snRNAの細胞内での運命を決定し、自身の分解を誘導するシグナルとなることが分かっています。このsnRNAの量調節メカニズムは、細胞における選択的スプライシングのパターンに幅広い変化をもたらすことと関連していると考えられています。

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